Elastocaloric Effect in Graphene Kirigami

Stel je een wereld voor waarin je een smartphone kunt koelen of een medische sensor kunt verwarmen door simpelweg een materiaal uit te rekken of te ontspannen, zonder bewegende delen, koudemiddelen of door elektriciteit aangedreven compressoren. Dit is de belofte van het elastocalorisch effect, een fenomeen waarbij bepaalde materialen van temperatuur veranderen wanneer ze mechanisch worden vervormd. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar materialen die dit efficiënt kunnen doen, in de hoop de volumineuze, energieverslindende koelsystemen die we in onze huizen en elektronica vinden te vervangen door iets dat solide en stil is. Hoewel sommige metalen en legeringen dit kunnen, vereisen ze vaak enorme kracht of lijden ze onder vermoeidheid. Recentelijk hebben onderzoekers hun aandacht gericht op de nanoschaal, waarbij ze verkenden hoe de dunst mogelijke materialen zich zouden gedragen wanneer ze aan dezezelfde rek krachten worden blootgesteld. In het hart van deze nieuwe grens staat grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon, bekend om zijn ongelooflijke sterkte en flexibiliteit. Een plat blad grafeen is echter moeilijk uit te rekken zonder te breken. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers een techniek ontwikkeld genaamd kirigami, geïnspireerd door de oude Japanse kunst van het snijden in papier. Door ingewikkelde patronen in het materiaal te snijden, creëren ze een structuur die kan uitzetten en inkrimpen als een veer, waardoor de natuurlijke stijfheid van het koolstofblad wordt overwonnen.

In een recente studie wilden onderzoekers zien wat er gebeurt als ze dit kirigami-concept toepassen op een enkele laag grafeen op atomair niveau. Ze wilden weten of deze ultradunne, gesneden en gevouwen structuur significante temperatuurveranderingen kon genereren wanneer deze werd uitgerekt en losgelaten, en of dit efficiënt genoeg kon gebeuren om nuttig te zijn voor toekomstige koel- of verwarmingsapparaten. Om het antwoord te vinden, bouwde het team geen fysiek apparaat in een laboratorium. In plaats daarvan construeerden ze een gedetailleerd computermodel van een grafeenvel dat was gesneden in een specif으로 herhalend patroon van gleuven en bruggen. Dit model bevatte meer dan twaalf duizend koolstofatomen en werd onderworpen aan een virtuele thermodynamische cyclus. De onderzoekers simuleerden het proces van het uitrekken van het materiaal, het vasthouden ervan, het loslaten ervan, en het laten uitwisselen van warmte met de omgeving, waarbij ze de manier nabootsen waarop een koelkast of warmtepomp werkt. Ze voerden deze simulaties tien keer uit met licht verschillende startcondities om ervoor te zorgen dat hun resultaten consistent en betrouwbaar waren.

De resultaten onthulden een fascinerend verschil tussen het gedrag van dit materiaal op atomaire schaal en de grotere, macroscopische versies van kirigami die eerder zijn bestudeerd. In grotere, dikkere kirigami-structuren zorgt het uitrekken van het materiaal voor een complexe mix van verhitting en koeling op verschillende plaatsen tegelijkertijd. Dit gebeurt omdat het materiaal buigt, waardoor de buitenranden van de buiging worden uitgerekt terwijl de binnenranden worden samengedrukt, wat leidt tot gelijktijdige opwarming en afkoeling. De onderzoekers ontdekten echter dat dit complexe gedrag niet optreedt in hun één atoom dikke grafeenmodel. Omdat het materiaal zo dun is, kan het niet buigen op een manier die die tegenovergestelde spanningen creëert. In plaats daarvan reageert de gehele structuur op een meer uniforme manier. Wanneer het virtuele grafeen werd uitgerekt, werden de koolstofverbindingen simpelweg uit elkaar getrokken, waardoor het hele vel opwarmde. Wanneer het werd losgelaten, ontspanden de verbindingen en koelde het vel af. Er waren geen conflicterende hete en koude zones; de temperatuurverandering was consistent over het hele materiaal.

De omvang van deze temperatuurverandering was verrassend groot voor zo'n kleine structuur. Tijdens de rekfase warmde het grafeenvel op met ongeveer 9,32 Kelvin. Wanneer de spanning werd losgelaten, koelde het af met ongeveer 3,50 Kelvin. Om dit in perspectief te plaatsen, deze veranderingen zijn ongeveer drieëntwintig keer groter dan de temperatuurverschuivingen waargenomen in de eerder bestudeerde macroscopische kirigami-materialen, die doorgaans slechts ongeveer 0,4 Kelvin veranderen. Dit suggereert dat het ontwerp op atomaire schaal veel effectiever is in het omzetten van mechanische energie in thermische energie dan zijn grotere tegenhangers. De onderzoekers berekenden ook hoe efficiënt dit proces was, een metriek bekend als de coefficient of performance. Ze vonden dat de grafeen-kirigami als een solide heater kon fungeren met een efficiëntie van ongeveer 1,57, of als een koelkast met een efficiëntie van ongeveer 0,62. Hoewel deze cijfers lager zijn dan die van sommige metaallegeringen of koolstofnanobuisjes, biedt de grafeenstructuur een uniek voordeel: het kan een rekspanning van tot wel 30 procent weerstaan zonder te breken, een niveau van flexibiliteit dat veel andere materialen niet kunnen evenaren.

De studie concludeert dat hoewel dit één atoom dikke materiaal geen complexe, multi-zone temperatuurpatronen vertoont zoals dikkere kirigami, het dit compenseert met een veel sterkere en meer uniforme temperatuurrespons. Het mechanisme is eenvoudig: het uitrekken van de koolstofverbindingen genereert warmte, en hun ontspanning verwijdert deze. Deze eenvoud, gecombineerd met het vermogen van het materiaal om aanzienlijk uit te rekken zonder te breken, wijst op een veelbelovend pad voor de ontwikkeling van nieuwe soorten thermische beheersystemen. De bevindingen suggereren dat door de geometrie van grafeen op de nanoschaal te manipuleren, het mogelijk is om solide-state apparaten te creëren die warmte efficiënt kunnen verplaatsen, wat potentieel kan leiden tot een nieuwe generatie koel- en verwarmingstechnologieën voor de flexibele elektronica van de toekomst.